住宅外墙饰面层损伤特征分析——以西南地区某小区住宅为例

Study on Damage Features of Exterior Wall Cladding of Residential Buildings-a Case Study of Residential Buildings in Southwest China

摘要

住宅外墙饰面层服役期内常出现各种类型的损伤，影响建筑外观及使用寿命，严重者甚至可能导致安全事故。本文对西南地区某住宅小区31栋建筑124片外墙进行现场诊断探查，探究其饰面层损伤分布特征、损伤类型、损伤评级及成因。结果表明：外墙饰面层损伤主要为美观性损伤，其中饰面渗漏泛碱、污垢或风化沉积现象发生居多；饰面层随服役年龄增长而整体损伤状况加重；南侧外墙饰面层平均损伤率较低，而其他朝向饰面层损伤状况相对较重。研究成果可为建筑外墙安全与功能评估、修缮加固提供参考依据。

Abstract

During the service period of residential exterior wall cladding （EWC）， various categories of damage often occur， which affects the appearance and service life of the building， and may even lead to safety accidents in serious cases. In this paper， the on-site diagnostic investigation to 124 exterior walls of 31 residential buildings in a residential community in southwest China was carried out to explore the distribution features， damage types， damage ratings and causes of damage of the EWC. The results show that the damage of EWC is mainly aesthetically damaged， among which the surface leakage， alkali seepage， dirt or weathering deposition phenomena occur most frequently， the overall damage of the EWC increases with the increase of service duration； the average damage rate of the EWC facing to south is low， while the damages of the EWC to other orientations are relatively serious. The research results can provide a reference for the safety and function assessment， repair and reinforcement of building exterior walls.

Graphical abstract

关键词

外墙饰面层 / 损伤特征 / 损伤类型 / 损伤评级 / 损伤率

Key words

exterior wall cladding / damage features / damage type / damage rating / damage ratio

0 引 言

伴随建筑工业化与绿色建筑持续发展，人居舒适与绿色环保要求日益提升，建筑外围护结构性能要求亦随之提高。然而，受材料、工艺、结构、气候及施工管理等多方面因素影响，建筑外围护结构质量参差不齐。众多既有建筑外墙饰面层（Exterior Wall Cladding，EWC）损伤频现，特征多样，导致外墙饰面层砖、连接件甚至晾衣钢骨架掉落事件频发，给周边居民带来安全隐患，引发社会关注。

外墙饰面层长期暴露于外界环境，并承受干湿循环、水作用、生物体存在及颗粒积累等复杂作用^［1］。实地测量^［2］与数值模拟^［3］结果均显示，建筑物受风雨作用效应随高度升高而增大，常常至屋顶高度达到最大值。与之相反，城市规模交通污染扩散模型分析表明，建筑周围平均污染物浓度随高度升高而降低^［4］，道路交通相关污染物因干沉积过程对建筑外墙饰面造成的严重危害不容忽视^［5］。然而，目前国内外针对外墙饰面层损伤检测分析的量化与特征分布研究仍显不足^［6］。

EOTA（欧洲技术批准组织）于2000年发布的ETAG 004定义了新建及改造工程建筑材料系统的良好工作标准^［7］。随后，法国在获建筑质量署批准后发布了《ETICS评估报告》，鼓励对ETICS建筑外墙进行可视化评估。

综上所述，外墙饰面层损伤种类多样、成因复杂，若得不到及时检测评估与修缮维护则可能造成严重后果。因此，对外墙饰面层损伤特征的研究急迫且重要。本文以西南地区某小区31栋住宅124片外墙为例，研究其外墙饰面层损伤特征，分析损伤评级及损伤分布，梳理损伤成因，为建筑外墙饰面安全与功能评估、修缮加固提供参考依据。

1 外墙饰面层构造类型与特征统计

1.1　建筑概况

该小区位于东经102°54′~104°53′与北纬30°05′~31°26′之间，长江流域四川盆地西部的成都平原腹地，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，雨热同期，四季分明。最热月份月平均温度达25.0~26.3 ℃，相比同纬度其他地域高出约2 ℃；最冷月份月平均温度达5.0~6.2 ℃，相比同纬度其他地域低约5 ℃；盆地地形造就其环境湿气较重，年平均相对湿度达79%~84%。气象灾害有寒潮、霜冻、雷雨、大风、冰雹等。由此可见，此地区气候状况较严峻，可能对建筑外墙饰面安全与功能产生较大影响。

小区住宅于2008年竣工，结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构，建筑总面积为132 647.16 m²，建筑平面近似矩形，建筑楼层数存在两种，分别为6层和11层。小区建筑总平面图如图1所示，其中典型的第16号楼的建筑右侧标准层平面图和西侧立面图如图2、图3所示。

1.2　饰面层构造类型探查

收集分析建筑结构设计资料，现场测绘外墙饰面层样本的面积尺寸，探查相应的构造类型，并通过目测、红外成像与敲击等方法对饰面层构造及损伤状况开展诊断识别。

小区外墙饰面层主要存在石材、饰面砖与涂料3类，沿着建筑高度方向由低到高依次分布，如图3所示。对住宅外墙不同种类饰面层的典型部位采取局部凿开、实体取样等方法探查其基本构造，各种不同的饰面层类型参见图4，探查后针对外墙饰面层构造的分析和汇总详见表1。

1.3　饰面层基本特征统计

小区外墙建成后，部分饰面层经过维修。相关资料调研和现场诊断探查表明外墙维修满足当年设计和施工验收标准。因此提出“服役期Y”（即“建成或维修后服役至诊断探查的时间段”）进行饰面层特征统计分析。筛选服役期Y相近的单片外墙饰面层，按0~400 m²、400~800 m²、800~1 200 m²及1 200 m²以上4个面积区间开展分布特征统计，总计86片，参见表2。

依据饰面层南、西、北、东4个朝向开展分布特征统计，结果见表3。

依据石材、饰面砖与涂料3种构造类型开展分布特征统计，结果见表4。

2 饰面层探查、损伤类型与评级

2.1　饰面层探查方法

采用目测法、红外成像法和敲击法等对外墙饰面层损伤状况进行探查。

2.2　饰面层损伤类型

受外界环境侵蚀与自身因素影响，小区住宅损伤状况频生，损伤特征呈现多样化。基于外墙饰面层损伤现场情况，依据美观及其他异常、平整度异常和组成材料破裂异常现象等对饰面层损伤分类^［12］，把损伤区分为美观性、连接性、粘结性和完整性4种类型，详见图5、表5和表6。

2.3　损伤分析与评级

根据损伤状况及其影响面积设定损伤评级^［6］。定义损伤影响面积C_{~}为损伤影响外墙饰面层功能和安全性能的面积指数，结合探查情况选取0.5 m²、4.5 m²作为损伤影响特征面积。依据实际损伤状况与C_{~}分布，把外墙饰面层损伤评级从低到高依次分为Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ三个等级，详见表7。

3 损伤率计算方法

采用损伤率d_{\mathrm{r}}作为特征指标评估饰面层损伤状态^［13-15］，如式（1）所示：

\begin{array}{l}{d}_{\mathrm{r}}=\\ \frac{\sum \left(m\times C_{\mathrm{a}}\right)+\sum \left(m\times C_{\mathrm{i}}\right)+\sum \left(m\times C_{\mathrm{b}}\right)+\sum \left(m\times C_{\mathrm{j}}\right)}{{\rm A}\times C}\end{array}（1）

式中：d_{\mathrm{r}}为损伤率（%），即为损伤等效影响面积占研究样本外墙饰面层面积的比值，表示外墙饰面层在服役期Y时的整体损伤状态。各饰面层服役期Y均与设计及维修资料验证复核；m为损伤评级影响系数；C_{\mathrm{a}}、C_{\mathrm{i}}、C_{\mathrm{b}}、C_{\mathrm{j}}为在服役期Y时受美观性、完整性、粘结性、连接性损伤影响的饰面层面积（m²）；{\rm A}为最高损伤评级影响系数m的取值；C为研究外墙饰面层总面积（m²）。

不同损伤评级对外墙饰面层功能与安全影响存在明显差异。研究发现，损伤评级影响系数m取值如表8时，能够合理表征这一差异。

4 饰面层损伤时变关系

运用二次多项式与线性回归等方法进行损伤分析可获取损伤率随饰面层服役期Y时变关系曲线^［6，16］。

考虑到住宅小区所有楼栋建筑平面近似均为规则矩形，且损伤现象在一栋建筑四个朝向面层的分布可能受多种因素影响，存在较大差异；同时由于东西向外墙饰面层开窗开洞面积较少，墙体饰面层构造做法连续性与整体性较好，因此着重依据东西朝向建筑外墙饰面层整体损伤率d_{\mathrm{r}}进行详细统计分析，参见表9、表10。图6、图7分别表示每栋建筑东朝向与西朝向外墙饰面层的整体损伤率d_{\mathrm{r}}与饰面层服役期Y的相关关系。

图中，“上包络线”为较强作用下饰面层的损伤拟合线（受材料、构件质量较差、施工执行质量参差不齐、外界环境条件影响较重等）；“下包络线”则为较弱作用下饰面层的损伤拟合线。损伤上限拟合线是基于现场探查获取的高损伤率数据点云，运用二阶多项式回归获得的。该曲线表明，饰面层损伤率随服役时间Y非线性增加，即较高损伤率的外墙性能随时间退化可能性越高。

伴随饰面层服役期Y增长，外墙饰面层损伤率d_{\mathrm{r}}逐渐呈现递增趋势，高损伤率数据平均上升率为0.71%，低损伤率数据平均上升率为0.25%，且呈开口逐渐增大漏斗形分布形状特征。

由图中散点分布可知数据饰面层损伤具有一定的离散性。实地探查位于小区同一人行主干道周围的同一外墙饰面层，即便在相同外界环境状况下也展现出不同的损伤情况，如图8所示。因此，饰面层损伤的差异性还与材料特性、施工工艺及运维使用等诸多因素有关，但其分布仍然可以用上下包络线清晰表达。

5 饰面层损伤特征分析

依据小区住宅外墙饰面层损伤状况、损伤现象与评级划分，进行损伤影响面积、饰面层面积、朝向以及种类等因素影响的损伤特征分析。

5.1　损伤影响面积C_{~}统计和损伤分析

针对探查采集的各种损伤类型开展损伤影响面积C_{~}统计分析，见表11、表12。

探查分析表明，该小区住宅外墙饰面层呈现较严重的损伤，主要为渗漏反碱、污垢与风化沉积以及外界环境影响综合引起的美观性损伤，且损伤评级较高。这些损伤对建筑外围护墙体功能性能影响最大，长期作用下会积累形成安全隐患。

5.2　考虑饰面层面积的损伤特征分布分析

图9为单片建筑外墙饰面层损伤率d_{\mathrm{r}}和其自身面积的相关关系。随单片外墙饰面层面积的增加，d_{\mathrm{r}}先快速增大随后逐渐回落减小，且离散性降低，损伤率维持在4%附近；损伤相关关系曲线趋于平行于x轴，损伤总体特征趋向稳定。

按表2中的分类结合公式（1）进行不同面积饰面层对应的损伤率d_{\mathrm{r}}统计，结果见表13。由表13可知，伴随饰面层面积的增加，其d_{\mathrm{r}}的总体变化规律呈现逐渐减小趋势。

5.3　考虑饰面层分布因素的损伤特征分布分析

选取外墙饰面层立面朝向、饰面层种类分析损伤特征分布。

5.3.1　考虑饰面层朝向的损伤特征分布分析

图10为在相同服役期Y下单片外墙饰面层损伤率d_{\mathrm{r}}与饰面层朝向的相关分布状况统计箱型图。

依据图10统计不同朝向饰面层平均损伤率，结果见表14。

图10与表14表明在相同服役期Y下单片外墙饰面层损伤率与朝向相关的分布情况是合理的，并与现状相符。外墙饰面层损伤率均值与标准差最低朝向为南向，数值分别为5.44%与0.028。其所处的盆地地形造成其环境湿气较重，年平均相对湿度达79%~84%，夏季高温多雨，从热带海洋吹来的东南季风带来丰沛的降水；冬季阴冷。由风玫瑰图知其主导风向为NE和NNE，盛行风来自盆地的东面与北面，使建筑外墙更加潮湿、阴冷，并且更有可能遭受风雨的影响。

根据现场探查可见，朝北的外墙饰面层（图11）整体更有可能出现苔藓、地衣、藻类、植物生长，这是因为它们在阴冷处停留的时间更长，致使北向外墙饰面层温度较低，较为潮湿。此外，朝南的外墙饰面层（图12）由于有更多时间暴露于太阳辐射之下，面临更急剧温度梯度变化，因此其更易发生开裂，随时间推移饰面层性能损害会加速。东向外墙既需承受较长的日照时间和较高日照强度，又需经历来自东向盛行风的侵扰，加之样本区域整体潮湿，多重不利因素的反复耦合影响加剧了东向饰面层损伤发展，其饰面层损伤状况较为严重。统计表明，东、北朝向外墙饰面层d_{\mathrm{r}}分别约为南朝向的1.4与1.3倍。

5.3.2　考虑饰面层种类的损伤特征分布分析

同一朝向饰面层但不同饰面类型也会有不同的损伤和分布，探查和收集外墙饰面层不同种类饰面的损伤分布数据，进一步探究其损伤成因。

图3展示了外墙饰面层沿建筑高度方向由低到高依次为石材饰面（低区）、面砖饰面（中区）和涂料饰面（高区）。绘制各栋建筑的外墙饰面层损伤率在建筑长、宽及高三维度上的分布情况，其中第16号楼外墙饰面层损伤率参见图13。图中虚线为建筑群整体外墙饰面层平均损伤率。

由图13可见石材饰面区和涂料饰面区的外墙饰面层损伤程度较为严重，损伤率分别为5.80%与15.48%，而位于中区的面砖饰面损伤程度表现相对较轻，约为1.91%。

究其损伤成因，涂料饰面层分布在高区，其主要损伤特征是渗漏反碱、污垢或风化沉积、材料老化（图14）。探查分析表明，建筑高区受污渍与生物制剂沉积影响的区域较多，这些损伤在与材料有关的同时主要是由建筑物上部风雨引起的干湿循环和水的作用、温度变化、太阳辐射水平、微生物体存在和颗粒积累引起。此外，风雨对大气污染物在建筑外墙涂料饰面层上的沉积有着增强作用。当考虑涉及降雨类型为酸雨型时，建筑外墙涂料饰面层在降雨过程中长时间暴露于雨水的酸性环境中，其损伤破坏的可能性更大。

而石材饰面层分布在低区，其主要损伤特征是风化损失、真菌污渍或藻类生长等（图15）。这些损伤特征往往与化学和生物作用相关。其中街道环境中污染物浓度较高引起建筑低区中污染物浓度较高。由干沉积现象导致的与道路交通相关的污染物对建筑室外表面造成的危害进一步加重。此外，某些物理行为以及人类行为的干预影响也可能会促使这些损伤现象发生，因此建筑更易受到此类行为的影响。

6 结 论

本文针对西南地区某住宅小区建筑外墙饰面层面积、构造类型与损伤状况开展诊断探查，统计三种主要损伤现象并对损伤状况进行分类评级，引入损伤影响面积C_{~}与损伤率d_{\mathrm{r}}等参数，表征损伤时变关系及趋势；分析饰面层面积、朝向与种类等因素，探讨该小区住宅外墙饰面层损伤特征分布。主要研究结论如下：

（1） 外墙饰面层损伤影响面积C_{~}以渗漏反碱、污垢以及风化沉积等美观性损伤特征涌现程度居多，面积占比高达81.9%，随后依次为出现裂纹、脱落及装饰连接件的损伤，占比依次为9.4%、6.7%和2.0%。

（2） 伴随饰面层“服役期Y”推移，外墙饰面层损伤率d_{\mathrm{r}}逐渐呈现上升趋势，高损伤率数据平均上升率为0.71%，低损伤率数据平均上升率为0.25%，且呈开口逐渐增大漏斗形分布形状特征。

（3） 伴随单片外墙饰面层面积增加，其d_{\mathrm{r}}先快速增大随后逐渐回落，且离散性降低，损伤率维持在4%附近；损伤总体特征趋向稳定。

（4） 南向外墙饰面层平均损伤率最低且离散性较低，分别为5.44%与0.028；东、北、西朝向的外墙饰面层受外界环境干预影响较大，损伤状况较南向严重，依次为7.8%、6.97%与6.71%。

（5） 位于建筑石材饰面区（低区）和涂料饰面区（高区）的外墙饰面层损伤程度较为严重，损伤率分别为5.80%与15.48%，而位于面砖饰面区（中区）的饰面损伤程度表现相对较轻，约为1.91%。

参考文献

[1] NETO N，DE BRITO J.Inspection and defect diagnosis system for natural stone cladding［J］.J. Mater.Civ.Eng.，2011，23，1433-1443.

[2] GE H，NATH U D，CHIU V.Field measurements of wind-driven rain on mid-and high-rise buildings in three Canadian regions［J］.Build.Environ.，2017，116，228-245.

[3] BLOCKEN B，DEZSÖ G，VAN BEECK J P A J，et al.Comparison of calculation models for wind-driven rain deposition on building facades［J］.Atmos.Environ.，2010，44：1714-1725.

[4] FU X，LIU J，BAN-WEISS G A，et al.Effects of canyon geometry on the distribution of traffic-related air pollution in a large urban area：Implications of a multi-canyon air pollution dispersion model［J］.Atmos.Environ.，2017，165：111-121.

[5] THOMPSON G E，WOOD G C.Effect of dry deposition of NOx and SO₂ gaseous pollutants on the degradation of calcareous building stones［J］.Atmos.Environ.A Gen.Top.1992，26：2963-2974.

[6] 唐超，卢文胜，商登峰，某高校建筑外墙饰面层损伤特征分析［J］.结构工程师，2023，39（4）：52-59.

[7] TANG Chao，LU Wensheng，SHANG Dengfeng，et al.Analysis of damage characteristics of exterior wall finishing layer of a university building［J］.Structural Engineers，2023，39（4）：52-59.（in Chinese）

[8] European Organization for Technical Approvals.ETAG 004：Guideline for European technical approval of external thermal insulation composite systems （ETICS） with rendering［S］.Brussels：European Organisation for Technical Approvals，2000，amended 2013.

[9] 蓝建勋.湿贴天然石材墙面泛碱现象的成因和防治［J］.广东建材，2003（7）：38-39.

[10] LAN Jianxun.Causes and prevention of efflorescence on wet-laid natural stone walls［J］.Guangdong Building Materials，2003（7）：38-39.（in Chinese）

[11] 郑昊.Ⅲ建筑气候区建筑外墙饰面砖脱落原因及修复措施［J］.结构工程师，2014，30（3）：194-198.

[12] ZHENG Hao.Causes and repair measurements for the falling of exterior wall facing tiles in architectural climatic region Ⅲ［J］.Structural Engineers，2014，30（3）：194-198.（in Chinese）

[13] 马福栋，张东波，王卓琳，既有建筑外墙外保温系统应用现状与脱落风险研究进展［J］.结构工程师，2023，39（4）：200-213.

[14] MA Fudong，ZHANG Dongbo，WANG Zhuolin，et al.Application status and research progress of external insulation System of existing building exterior wall［J］.Structural Engineers，2023，39（4）：200-213.（in Chinese）

[15] 李永生，孙璐，王栋，建筑外墙外保温系统饰面层开裂原因分析［J］.墙材革新与建筑节能，2019（8）：18-21.

[16] LI Yongsheng，SUN Lu，WANG Dong，et al.Analysis of cracking causes of facing layer of building exterior wall insulation system［J］.Wall Material Innovation and Building Energy Saving，2019（8）：18-21.（in Chinese）

[17] XIMENES S，DE BRITO J，GASPAR P L，et al.Modelling the degradation and service life of ETICS in external walls［J］.Materials and Structures，2015，48（7）：2235-2249.

[18] GASPAR P L，DE BRITO J.Quantifying environmental effects on cement-rendered facades：A comparison between different degradation indicators［J］.Building and Environment，2008，43（11）：1818-1828.

[19] SILVA A，DIAS J L，GASPAR P L，et al.Service life prediction models for exterior stone cladding［J］.Building Research & Information，2011，39（6）：637-653.

[20] BORDALO R，DE BRITO J，GASPAR P L，et al.Service life prediction modelling of adhesive ceramic tiling systems［J］.Building Research & Information，2011，39（1）：66-78.

[21] SHOHET I M， ROSENFELD Y， PUTERMAN M，et al.Deterioration patterns for maintenance management：a methodological approach［M］//LACASSE M A，VANIER D J.Durability of Building Materials and Components 8：Service Life and Durability of Materials and Components，Volumes 1-4.Ottawa：National Research Council Canada，1999：1666-1678.

基金资助

国家重点研发计划重点专项课题(2022YFC3002303)

同济大学学术能力提升支持项目(0200219307)